EP2356685A1 - Heterostrukturelement mit geringer barrierenhöhe und hoher stromdichte - Google Patents

Heterostrukturelement mit geringer barrierenhöhe und hoher stromdichte

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EP2356685A1
EP2356685A1 EP09764450A EP09764450A EP2356685A1 EP 2356685 A1 EP2356685 A1 EP 2356685A1 EP 09764450 A EP09764450 A EP 09764450A EP 09764450 A EP09764450 A EP 09764450A EP 2356685 A1 EP2356685 A1 EP 2356685A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
semiconductor layer
opening
heterostructure
layer
metal contact
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09764450A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mike Kunze
Ingo Daumiller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Microgan GmbH
Original Assignee
Microgan GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2356685A1 publication Critical patent/EP2356685A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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    • H10D30/4755—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having wider bandgap layer formed on top of lower bandgap active layer, e.g. undoped barrier HEMTs such as i-AlGaN/GaN HEMTs having wide bandgap charge-carrier supplying layers, e.g. modulation doped HEMTs such as n-AlGaAs/GaAs HEMTs
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    • H10D64/64—Electrodes comprising a Schottky barrier to a semiconductor

Definitions

  • Heterostructure element with low barrier height and high current density with low barrier height and high current density
  • the invention relates to a heterostructure element, such as a Schottky diode or a transistor, which has a high current density at low barrier height.
  • heterostructural elements are their threshold voltage, which corresponds to the barrier height of the corresponding element.
  • the operating voltage is kept as low as possible, since the power loss of the corresponding element is reduced as the input voltage decreases.
  • it is desirable to allow the largest possible current flow in the heterostructure elements which is achieved by a large charge carrier density in the boundary region between layers of the heterostructure element and corresponds to a large layer conductivity.
  • Schottky diodes are used e.g. used as protection diodes for voltage reduction of induction voltages (freewheeling diode) or as rectifier diodes in switching power supplies and allow switching frequencies up to the MHz range or beyond.
  • Schottky diodes Due to the low power loss and the fast switching speed, these diodes are well suited for high-frequency applications down to the microwave range or for detector circuits as a demodulator. Schottky diodes will continue to be in fast Logic circuits (digital technology) used. They prevent saturation of the transistor due to their low forward voltage and enable faster or lower-power switching.
  • Schottky diodes As a semiconductor material for Schottky diodes usually silicon for voltages up to 250 V or GaAs or SiGe is used. SiC- or GaN-based Schottky diodes are generally used for the higher voltage classes 300 V, 600 V and 1200 V and higher. Other semiconductors can also be used.
  • SiC- or GaN-based Schottky diodes offer a number of advantages over conventional silicon diodes in power electronics. Since they have almost no forward and, above all, reverse recovery behavior, fast switching operations are possible.
  • SiC- or GaN-based Schottky diodes as Kommutierungspartner for IGBT transistors considerable switching loss reductions in the diode itself but also in the transistor are possible because it does not need to take over scrubierier- urgistrom when restarting.
  • SiC- or GaN-based Schottky diodes allow for barrier layer temperatures that are much higher than for silicon. This results in degrees of freedom in the system structure.
  • Schottky diodes typically have a metal-semiconductor contact.
  • the barrier height of this metal-semiconductor contact is dependent on the work function of the metal and the electron affinity of the semiconductor, based on the vacuum level in the band diagram. If the work function of the metal is greater than the electron affinity of the n-type semiconductor, the combination of both materials forms At the interface, there is a potential level which defines the barrier height of the diode.
  • barrier height correlates with the work function difference. This means that the barrier height changes for different metals with different work functions.
  • the metal contacts for the Schottky metallizations may also comprise a multi-layer metal system, e.g. Nickel / Au.
  • Schottky diodes can be realized on the one hand as homostructure diodes and on the other hand as heterostructure diodes.
  • a homostructure diode may be used e.g. Nickel / GaN, nickel / AlN, nickel / InN or mixed forms such as nickel / AlGaN, nickel / InAlN or the like.
  • the metal contact can have one or more different metal layers.
  • a Schottky diode may have layer sequences, such as e.g. Nickel / AlGaN / GaN, nickel / GaN / AlGaN / GaN, nickel / AlN / AlGaN / GaN or nickel / InAlN / GaN.
  • the metal contact may have one or more different metal layers.
  • Transistors may for example be realized in a similar form.
  • a Schottky diode normally has an ohmic contact in addition to the Schottky contact the same surface as the Schottky contact (horizontal structure) may be disposed on the opposite surface of the heterostructure as the Schottky contact (vertical structure) or on an exposed part of each semiconductor on which the other semiconductor material is disposed ohmic contact is arranged on that side of the semiconductor carrying this semiconductor (mixed form of vertical and horizontal structure). Depending on the placement of the contacts, different diode characteristics may result.
  • one or more dopants in the material system may be necessary.
  • the heterostructure diodes usually show a higher current density than homostructure diodes, since a free two-dimensional electron gas forms due to the piezoelectric stresses at the interface between different semiconductor materials and thus a high charge carrier density is available.
  • FIG. 1 shows barrier heights of the Group III nitride base systems GaN, AlN, InN and their ternary compounds.
  • AlGaN and InAlN-based systems a significant increase in the barrier height with increasing aluminum content is accompanied by decreasing gallium content.
  • the operating voltage of the Schottky diode with 40% aluminum is about 0.3 volts higher than the threshold voltage of the Schottky diode with 20% aluminum.
  • the object of the present invention is therefore to provide a heterostructure element which at the same time allows a high current density, but at the same time has a low threshold voltage.
  • a heterostructure element which comprises at least a first and at least one at least one second semiconductor layer, which are arranged one above the other, particularly preferably touching each other, or arranged on top of each other.
  • the first semiconductor layer is arranged with its underside on or above an upper side of the second semiconductor layer.
  • the semiconductor layers can be arranged directly one on the other, ie adjacent to one another, but it is also possible for the semiconductor layers to be arranged one above the other with possible intermediate layers.
  • the semiconductor layers are selected and arranged such that at least one conductive interface layer is formed between them.
  • first semiconductor layer is the uppermost semiconductor layer and the second semiconductor layer is the lowermost semiconductor layer of the heterostructure element, in particular if between these more semiconductor layers are arranged.
  • the heterostructure element according to the invention now also has at least one metal contact, at least partially in an opening which extends in the first semiconductor layer, and preferably also in the second semiconductor layer, through the first semiconductor layer and to a depth greater than or equal to zero extends into the second semiconductor layer.
  • the said opening thus penetrates the first semiconductor layer.
  • the opening and the contact penetrate all these intermediate layers.
  • the first or second semiconductor layer may also be e.g.
  • the metal contact can be invented According to the invention also be a gate or a gate contact. In the event that the metal contact extends with a depth of zero, that is to say not at all, into the second semiconductor layer, the opening ends on the upper side of the second semiconductor layer or on the second semiconductor layer
  • the upper side of a semiconductor layer is a side facing that side of the heterostructure in which the opening opens.
  • the lower side is the side opposite the upper side. If the opening extends into the second semiconductor layer with a depth greater than zero, then the opening in the second semiconductor layer is present as a depression, which can terminate in the second semiconductor layer or can pierce it.
  • the opening may also be a trench or a depression.
  • the opening it is possible for the opening to extend in one direction over the entire width of the first semiconductor layer, the second semiconductor layer and / or the heterostructure element so that it forms an incised trench.
  • the opening and / or the metal contact extends through or pierces through all boundary layers or interfaces between adjacent semiconductor layers arranged on top of one another.
  • the opening preferably extends to one Depth T of greater than or equal to 10 nm, preferably greater than or equal to 20 nm, more preferably greater than or equal to 40 nm and / or less than or equal to 100 nm, preferably less than or equal to 70 nm, more preferably less than or equal to 50 nm in the lowermost semiconductor layer ,
  • the metal contact preferably extends out of the opening beyond the top side of the first semiconductor layer, so that a part of the metal contact is present outside the opening and above the upper side of the first semiconductor layer, preferably also on the upper side of the first semiconductor layer.
  • a cross-sectional area and / or a diameter or circumference of the cross-sectional area of the metal contact in a section parallel to the upper side of the first semiconductor layer or parallel to the first semiconductor layer or the second semiconductor layer over the top of the first semiconductor layer, that is outside the opening, larger or equal to the corresponding cross-sectional area or the diameter or circumference thereof in the interior of the opening, or is greater than or equal to the corresponding cross-sectional area, the diameter or circumference of the opening itself.
  • the cross-sectional area above the upper side of the first semiconductor layer, ie outside the opening is the same size as the cross-sectional area in the opening or the opening itself.
  • a gate capacitance of the heterostructure element is determined by an effective area the metal contact effectively occupies the top of the first semiconductor layer.
  • the effective area is in a first approximation, the total area of the metal contact over the top of the first semiconductor less the area of the underlying opening.
  • the effective area of the metal contact ie the "mesa structure" is thus smaller in the structure according to the invention than in conventional heterostructure elements.
  • the metal contact can fill up the opening completely or partially, so that the volume of the opening is correspondingly wholly or partially filled by the metal of the metal contact. But it is also possible that the metal contact is formed in the opening as a layer which completely or partially covers an inner wall of the opening and / or the bottom of the opening. The metal contact is then a coating of the inner wall of the opening and / or the bottom thereof.
  • the first semiconductor layer and / or the second semiconductor layer comprises or consists of group III nitride semiconductors.
  • Such semiconductors may preferably used for the first semiconductor layer Al x Ga -x N and / or In x N x Ali_ comprise or consist thereof, x is preferably ⁇ 0.1, preferably ⁇ 0.2, particularly preferably ⁇ 0.3 and / or ⁇ 0.9, preferably ⁇ 0.7, more preferably ⁇ 0.6, particularly preferably ⁇ 0.4.
  • the second semiconductor layer preferably comprises or consists of GaN.
  • the at least one metal contact preferably comprises platinum, nickel and / or gold or consists thereof.
  • the heterostructure element according to the invention may be a Schottky diode. As such, the heterostructure element has at least one ohmic contact which is arranged on the upper side of the first semiconductor layer or under the underside of the second semiconductor layer.
  • the heterostructure element according to the invention can also be a transistor.
  • At least two contacts may be formed on the upper side of the uppermost semiconductor layer, one being a source contact and a collector contact, respectively, and the other being a drain contact and an emitter contact, respectively.
  • the metal contact then acts as a gate or as a base contact. Again, preferably, the metal contact and opening should pierce all interfaces between adjacent semiconductors.
  • the further structure corresponds to that described for the Schottky diode. Even in the embodiment as a transistor, the barrier height and the capacitances are reduced.
  • the opening may have differently shaped cross sections parallel to the surface of the first semiconductor layer or perpendicular to its direction. Preferably, it has a rectangular or circular cross-section.
  • the metal contact then preferably has the same cross-sectional shape in the opening. Outside the opening on the upper side of the first semiconductor layer, the metal contact may have the same shape as the cross section of the opening, but it may also have a different shape.
  • the heterostructure according to the invention allows high current densities with simultaneously low threshold voltage.
  • group III nitride-based Schottky diodes and transistors having these advantageous properties can advantageously be realized.
  • the structure according to the invention can be used in all types of material and layer combinations, in particular of Group III nitrides.
  • the barrier height is almost independent of the material composition when using the "mesa gate technology" according to the invention and is approximately 0.8 V, as can be seen in FIG.
  • AlGaN / GaN heterodiode means that although the aluminum content for diodes with increased current density increases, the barrier height and thus the threshold voltage remains the same. It thus sets a constant operating voltage for diodes of any current density.
  • Group III nitride-based diodes with structure according to the invention can be used in all electronic components.
  • the group III-nitride-based Schottky diodes with the mesa-gate structure according to the invention show significant advantages due to the low power loss. These diodes can be used in high-frequency switching power supplies, in efficient inverters in hybrid drive technology or solar technology.
  • inventive heterostructure elements as diodes and / or transistors as arrays of a multiplicity of such elements.
  • interconnection techniques may be used, as described in WO 2008/155085 and / or in WO 2008/155083.
  • FIG. 1 shows the barrier height of an AlGaN diode and an InAlN diode as a function of the aluminum content
  • FIG. 2 shows current-voltage characteristics of Schottky
  • FIG. 4 shows an example of a heterostructure element according to the invention, which here is a Schottky diode
  • FIG. 5 shows a further example of a heterostructure element according to the invention, which in turn is a Schottky diode,
  • FIG. 6 shows a heterostructure element according to the invention with more than two semiconductor layers
  • FIG. 7 shows a further heterostructure element according to the invention with more than two semiconductor layers
  • FIG. 8 shows an example of a heterostructure element according to the invention, which is a transistor
  • FIG. 9 shows the current-voltage characteristic of a bulkhead ky diode with inventive heterostructure compared to a conventional Schottky diode
  • FIG. 10 shows the barrier height as a function of
  • Composition of a conventional Schottky diode compared to a Schottky diode with heterostructure according to the invention Composition of a conventional Schottky diode compared to a Schottky diode with heterostructure according to the invention.
  • Figure 2 shows the current-voltage characteristics of conventional AlGaN / GaN Schottky diodes, wherein the Schottky diode in which the AlGaN layer has an aluminum content of 20% is shown in triangles and the Schottky diode in which the corresponding layer has an aluminum content has 40%, with squares.
  • a low aluminum content in this case 20%
  • a desired low threshold voltage in the example shown approx. 1 volt
  • a high series resistance which here corresponds to the inverse slope of the curve.
  • an aluminum content of 40% shows a significantly lower series resistance, the operating voltage is increased and in the example shown is approximately 1.4 volts.
  • FIG. 3 shows three examples of designs of conventional heterostructures, which here represent Schottky diodes with metal contacts 1. It shows here part of Figure A is a vertical construction, part of a horizontal B B construction and part C a mixed form of vertical and horizontal design.
  • the diodes comprise an AlGaN layer 2, which is arranged on a GaN layer 3, touching it.
  • the metal contact 1 is always arranged on the AlGaN layer 2 and only in contact with this layer.
  • the Bottom of the metal contact 1 completely touches the AlGaN layer 2.
  • the designs shown in the sub-figures A, B and C differ essentially by the arrangement of an ohmic contact 4, wel- in the vertical construction of Figure A to that of AlGaN Layer facing away bottom of the GaN layer is arranged.
  • the ohmic contact is disposed on the AlGaN layer, on its upper side, on which also the metal contact 1 is arranged.
  • the ohmic contact 4 is disposed on the GaN layer on the side where the AlGaN layer 2 is also located. In this case, however, the ohmic contact 4 is not in contact with the AlGaN layer 2 but is disposed on a part of the upper surface of the GaN layer 3 on which the AlGaN layer 2 is not disposed.
  • FIG. 4 shows a first example of a heterostructure element according to the invention, which is designed here as a Schottky diode.
  • an AlGaN layer 2 is arranged with its underside on an upper side of a GaN layer 3.
  • the two layers 2 and 3 touch each other in the example shown, but intermediate layers are also possible.
  • an ohmic contact 4 is arranged on an upper side of the AlGaN layer 2.
  • the heterostructure according to the invention now has an opening 5, which extends from the upper side of the AlGaN layer 2 through the AlGaN layer 2 to a depth T into the GaN layer 3.
  • the depth T is greater than zero in the example shown, but it may also be equal to zero, so that the opening 5 extends only to the surface of the GaN layer 3.
  • the opening 5 is now filled with a metal contact 1.
  • the metal contact 1 thus extends from the top of the AlGaN layer 2 through the AlGaN layer 2 through into the GaN layer 3.
  • the metal contact 1 is also outside the opening 5 above the top of the AlGaN layer 2 and is to Part arranged on the surface of the AlGaN layer 2.
  • a cross-sectional area Al of the metal contact 1 is therefore greater above the top of the AlGaN layer 2 than the corresponding cross-sectional area A2 within the opening 5.
  • the cross-section of the opening parallel to the surface of the AlGaN layer may be circular or rectangular, for example.
  • FIG. 5 shows a further example of a heterostructure element according to the invention, which in turn is designed as a Schottky diode.
  • An AlGaN layer 2 and a GaN layer 3 are arranged as shown in FIG.
  • an ohmic contact 4 is arranged on an upper side of the AlGaN layer 2, in turn, an ohmic contact 4 is arranged.
  • An opening 5, a trench 5 or a depression 5 is introduced into the AlGaN layer 2 and the GaN layer 3 as shown in FIG.
  • a metal contact 1 is housed in the opening 5, but this fills not completely, but only partially. In this case, the metal of the metal contact 1 forms a layer on an inner wall of the opening 5 and the bottom thereof. Inside, the opening 5 is empty.
  • FIG. 5 shows a further example of a heterostructure element according to the invention, which in turn is designed as a Schottky diode.
  • An AlGaN layer 2 and a GaN layer 3 are arranged as shown in FIG.
  • the metal contact 1 also lies outside the opening on the upper side of the AlGaN layer 2, so that the outer dimensions of the contact 1 over the surface of the AlGaN layer 2 are greater than in the opening 5.
  • the surfaces A1 and A2 may take any shapes in examples shown in Figs. As a rule, they are rectangles or circles.
  • the surface A2 of the trench, the opening or the recess, the shape of the overlying Metal structure Al correspond, but may also assume a different shape from this form.
  • FIG. 6 shows an example of a heterostructure element according to the invention, which in turn is designed as a Schottky diode.
  • a GaN layer 3 is first applied to a buffer 8 as in the previous examples.
  • an Al-GaN layer 2 is arranged, on which in turn a cap layer 6 is applied, which may comprise, for example AlN or GaN or may consist thereof.
  • the opening 5 is arranged as a layer on a wall and a bottom of the opening 5, extends from an upper side of the cap semiconductor layer 6 through this semiconductor layer 6 and through the AlGaN layer 2, through the intermediate layer 7 to a depth T into the GaN layer 3.
  • the opening 5 and the metal contact 1 are so deep and extend through the semiconductor layers in such a way that they pierce all interfaces between in each case two adjoining semiconductor layers.
  • a surface, an edge length or a diameter Al of the metal contact 1 outside the opening on the upper side of the layer 6 is larger than the corresponding dimension A2 inside the opening.
  • Said dimension A2 is here, as in the other examples inside the opening above the Ground measured.
  • an ohmic contact 4 is formed on the upper side of the cap layer 6, as is customary for a Schottky diode.
  • FIG. 7 shows another example of a Schottky diode as a heterostructure element according to the invention, which is constructed in accordance with the Schottky diode shown in FIG. 6, so that the statements made with regard to FIG. 6 also apply to the Schottky diode shown in FIG.
  • the layer 3 arranged on the buffer layer 8 is subdivided into three semiconductor layers 3a, 3b, 3c, which can be understood as individual semiconductor layers in the sense of the application.
  • the underlying layer 3a is a GaN layer on which an AlGaN layer 3b is arranged, on which in turn a further GaN layer 3c is arranged.
  • the opening 5 and the metal contact 1 extends through all the interfaces between adjacent semiconductors, so that all boundary layers are pierced by the opening and the metal contact.
  • the bottom of the opening 5 is thus present on or in the lowest semiconductor layer, which is normally arranged on the buffer 8.
  • FIG. 8 shows a heterostructure element according to the invention, which is designed as a transistor.
  • the structure of the transistor shown in FIG. 8 essentially corresponds to that of the Schottky diode shown in FIG.
  • an AlGaN layer 2 is arranged in contact with a GaN layer 3, so that a conductive interface layer is formed between the layers 2 and 3.
  • An opening 5 with a metal contact 1 arranged therein pierces the AlGaN layer 2 and penetrates up to an An edge length, a diameter and / or an area of the metal contact 1 outside the opening on an upper side of the AlGaN layer 2 is greater than or equal to the corresponding dimension A2 in the interior of the opening 5 o
  • the heterostructure element formed as a transistor also has further semiconductor layers, as shown, for example, in FIGS. 6 and 7 for a Schottky diode.
  • the transistor has on the upper side of the AlGaN layer 2 two contacts 9 and 10, which act as source or drain contact or collector or emitter contact.
  • the other features correspond to those described for the Schottky diodes in the preceding examples of the invention.
  • FIG. 9 shows the current-voltage characteristic of a Schottky diode with heterostructure according to the invention (squares) and a conventional Schottky diode (circles).
  • the exemplary comparison of these AlGaN / GaN hetero-Schottky diodes with structure according to the invention on the one hand and conventional technology on the other hand shows that the same material configuration results in a shift in the threshold voltage of about 0.3 volts, as shown in FIG. This allows the same current to be operated at a lower voltage.
  • the power dissipation of the Schottky diodes having the structure of the present invention is reduced as compared with the conventional technology.
  • FIG. 10 shows the barrier height of a heterostructure (squares) according to the invention and of a conventional heterostructure (circles) as a function of the composition of the heterostructure.
  • the independent Speed of the barrier heights, of the material composition in a Schottky diode with inventive heterostructure is clearly visible.
  • the barrier height is independent of the composition of the Al-GaN layer at about 0.8 volts.
  • the barrier height for the conventional Schottky diode increases with increasing aluminum content in the AlGaN layer.
  • the inventive heterostructure allows a significant reduction in gate capacitance in devices having a gate.
  • the gate capacitance is determined, for example, by the area occupied by the metal contact on the AlGaN surface or planar in a trench, the so-called gate recess, in which the complete contact is present ,
  • Structure is determined by the area that the metal contact effectively engages on the e.g. AlGaN layer of an AlGaN / GaN Schottky diode occupies.
  • an effective gate area in a first approximation, the total area Al above the upper side of the upper semiconductor layer minus the etched area A2 in the opening 5 in FIGS. 4 and 5 can be considered.
  • the effective gate area of a structure according to the invention (mesa gate structure) of e.g. AlGaN / GaN heterodiode smaller than that of a corresponding diode without such a structure.
  • the effective reduced gate area of the mesa gate structure does not reduce the current density of the diode.
  • the current density of the diode is determined primarily by the circumference of the diode Determined metal contact. Therefore, the current density of a mesa-gate Schottky diode according to the invention and a Schottky diode without mesa-gate structure according to the invention is identical from a geometric point of view, since only the extent of the area Al of the metal contact over the top of the first semiconductor layer is critical.
  • the reduction of the effective gate area of the inventive mesa gate structure and the consequent reduction of the gate capacitance (from approximately 2.3 to approximately 1.2 at a gate voltage of 0 volt) enables fast charge transfer and switching times of the diodes.
  • heterostructure according to the invention which will be briefly described below using the example of a GaN-based Schottky diode having a heterostructure according to the invention.
  • the homogeneity of diode properties depends on the base material, in particular the semiconductor wafer, as well as on the process technology.
  • the homogeneity of the semiconductor wafers may vary due to the manufacturing process over the wafer as well as from wafer to wafer and may be different.
  • the AlGaN layer is in thickness and aluminum content. This results in fluctuations in the diode properties.
  • the approach according to the invention reduces the influence of material fluctuations, such as, for example, aluminum content and AlGaN thickness, since, according to the invention, a trench, an opening or a recess at the location of the gate contact etched through the AlGaN layer to a depth T into the GaN layer using the example of an AlGaN / GaN heterodiode.
  • material fluctuations such as, for example, aluminum content and AlGaN thickness
  • a trench, an opening or a recess at the location of the gate contact etched through the AlGaN layer to a depth T into the GaN layer using the example of an AlGaN / GaN heterodiode By partially removing eg the AlGaN layer at the gate contact, more homogeneous diode properties are possible than with the conventional technology.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heterostrukturelement mit zumindest einer ersten Halbleiterschicht, zumindest einer zweiten Halbleiterschicht, sowie zumindest einem Metallkontakt, wobei die erste Halbleiterschicht über der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist, und sich der Metallkontakt in einer Öffnung von einer der zweiten Halbleiterschicht gegenüber liegenden Oberseite der ersten Halbleiterschicht durch die erste Halbleiterschicht hindurch und bis zu einer Tiefe größer oder gleich Null in die zweite Halbleiterschicht hinein erstreckt.

Description

Heterostrukturelement mit geringer Barrierenhöhe und hoher Stromdichte
Die Erfindung betrifft ein Heterostrukturelement, wie beispielsweise eine Schottky-Diode oder einen Transistor, das eine hohe Stromdichte bei geringer Barrierenhöhe aufweist.
Ein entscheidendes Merkmal von Heterostrukturelemen- ten ist deren Einsatzspannung, welche mit der Barrierenhöhe des entsprechenden Elementes korrespondiert . Für ein verlustarmes Schalten von Dioden und Transistoren ist es vorteilhaft, wenn die EinsatzSpannung so gering wie möglich gehalten wird, da sich mit Ver- kleinerung der EinsatzSpannung die Verlustleistung des entsprechenden Elementes reduziert. Andererseits ist es erwünscht, in den Heterostruktur- elementen einen möglichst großen Stromfluss zu ermöglichen, was durch eine große Ladungsträgerdichte im Grenzbereich zwischen Schichten des Heterostruktur- elementes erreicht wird und mit einer großen Schichtleitfähigkeit korrespondiert.
Problematisch ist, dass die genannten Ziele bei herkömmlichen Heterostrukturbauelementen, insbesondere bei GaN-basierten Systemen, gegenläufig sind. Soll also eine große Ladungsträgerdichte realisiert werden, um eine hohe Leitfähigkeit zu erzielen, so erfordert dies normalerweise eine hohe Barrierenhöhe und damit eine hohe EinsatzSpannung. Soll anderer- seits die Einsatzspannung gesenkt werden, so muss die Barrierenhöhe verringert werden, was jedoch bei herkömmlichen Heterostrukturelementen zu einer geringeren Ladungsträgerdichte und damit zu einem höheren Serienwiderstand führt.
Die Problematik soll im Folgenden am Beispiel einer Schottky-Diode illustriert werden.
Als schnelle und spannungsfeste Dioden mit einem in der Regel kleinen Spannungsabfall in Durchlassrichtung werden Schottky-Dioden z.B. als Schutzdioden zum Spannungsabbau von Induktionsspannungen (Freilaufdiode) oder als Gleichrichterdioden in Schaltnetzteilen eingesetzt und ermöglichen dort Schaltfrequenzen bis in dem MHz-Bereich oder darüber hinaus.
Aufgrund der geringen Verlustleitung und der schnellen Schaltgeschwindigkeit sind diese Dioden für Hochfrequenzanwendungen bis in den Mikrowellenbereich oder für Detektorschaltungen als Demodulator gut geeignet. Schottky-Dioden werden weiterhin in schnellen Logikschaltungen (Digitaltechnik) eingesetzt. Sie verhindern aufgrund ihrer geringen DurchlassSpannung eine Sättigung des Transistors und ermöglichen ein schnelleres bzw. leistungsärmeres Schalten.
Als Halbleitermaterial für Schottky-Dioden wird meist Silizium für Spannungen bis 250 V oder GaAs oder SiGe verwendet. Für die höheren Spannungsklassen 300 V, 600 V und 1200 V und höher kommen in der Regel SiC- oder GaN-basierende Schottky-Dioden zum Einsatz. Auch andere Halbleiter sind einsetzbar.
SiC- oder GaN-basierende Schottky-Dioden bieten in der Leistungselektronik eine Reihe von Vorteilen ge- genüber den konventionellen Silizium-Dioden. Da sie fast kein Vorwärts- und vor allem Rückwärtserholver- halten aufweisen, sind schnelle Schaltvorgänge möglich. Beim Einsatz von SiC- oder GaN-basierenden Schottky-Dioden als Kommutierungspartner für IGBT- Transistoren sind erhebliche Schaltverlustreduktionen in der Diode selbst aber auch im Transistor möglich, da dieser beim Wiedereinschalten keinen Rückwärtser- holstrom zu übernehmen braucht. Weiterhin erlauben SiC- oder GaN-basierende Schottky-Dioden Sperr- Schichttemperaturen, die weitaus höher liegen als bei Silizium. Dadurch ergeben sich Freiheitsgrade im Systemaufbau .
Schottky-Dioden weisen in der Regel einen Metall- Halbleiter-Kontakt auf. Die Barrierenhöhe dieses Metall-Halbleiter-Kontakts ist abhängig von der Austrittsarbeit des Metalls und der Elektronenaffinität des Halbleiters, bezogen auf das Vakuumniveau im Banddiagramm. Ist nun die Austrittsarbeit des Metalls größer als die Elektronenaffinität des n-Typ Halbleiters, so bildet sich beim Zusammenführen beider Mate- rialien an der Grenzfläche eine Potentialstufe, die die Barrierenhöhe der Diode definiert.
Für Metall—Kontakte auf ionischen Halbleitern wie GaN gilt in erster Näherung, dass die Barrierenhöhe mit der Differenz der Austrittsarbeit korreliert. Dies bedeutet, dass die Barrierenhöhe sich bei unterschiedlichen Metallen mit verschiedenen Austrittsarbeiten ändert.
Für Schottky—Kontakte auf z.B. GaN wird im allgemeinen Platin oder Nickel verwendet. Die Barrierenhöhen ergeben sich dabei zu 1.1 eV bzw. 0.8 eV. Die Metall- kontakte für die Schottky-Metallisierungen können ebenso ein Mehrschichtmetallsystem aufweisen, z.B. Nickel/Au.
Schottky-Dioden können einerseits als Homostrukturdioden und andererseits Heterostrukturdioden realisiert werden. Wird als Schottky-Kontakt ein Nickelkontakt verwendet, so kann eine Homostrukturdiode z.B. Ni- ckel/GaN, Nickel/AIN, Nickel/InN oder Mischformen, wie Nickel/AlGaN, Nickel/InAlN oder ähnliche sein. Dabei kann der Metallkontakt eine oder mehrere ver- schiedene Metallschichten aufweisen. Als Heterostruk- turdiode kann eine Schottky-Diode Schichtfolgen, wie z.B. Nickel/AlGaN/GaN, Nickel/GaN/AlGaN/GaN, Nickel/AlN/AlGaN/GaN oder Nickel/InAlN/GaN aufweisen.
Auch hier kann der Metallkontakt ein oder mehrere verschiedene Metallschichten aufweisen. Transistoren können beispielsweise in ähnlicher Form realisiert sein.
Eine Schottky-Diode weist neben dem Schottky-Kontakt normalerweise einen ohmschen Kontakt auf, der auf der gleichen Oberfläche wie der Schottky-Kontakt (horizontaler Aufbau) , auf der entgegengesetzten Oberfläche der Heterostruktur wie der Schottky-Kontakt (vertikaler Aufbau) oder auf einem freiliegenden Teil je- nes Halbleiters angeordnet sein kann, auf welchem das andere Halbleitermaterial angeordnet ist, wobei der ohmsche Kontakt auf jener den anderen Halbleiter tragenden Seite dieses Halbleiters angeordnet ist (Mischform aus vertikalem und horizontalem Aufbau) . Je nach Platzierung der Kontakte können sich unterschiedliche Diodeneigenschaften ergeben.
Zur Optimierung oder Ermöglichung der Diodenfunktion können ein oder mehrere Dotierungen im Materialsystem notwendig sein.
Die Heterostruktur-Dioden zeigen in der Regel eine höhere Stromdichte als Homostruktur-Dioden, da sich aufgrund der piezoelektrischen Verspannungen an der Grenzfläche zwischen verschiedenen Halbleitermaterialien ein freies zweidimensionales Elektronengas bildet und somit eine hohe Ladungsträgerdichte zu Verfügung steht .
Die Barrierenhöhe einer Schottky-Diode hängt bei herkömmlichen Dioden stark von der Zusammensetzung des Heteroschichtsystems ab. Beispielhaft zeigt Figur 1 Barrierenhöhen von den Gruppe III-Nitrid-Basissys- temen GaN, AlN, InN sowie deren ternären Verbindun- gen. Für AlGaN- und InAlN-basierte Systeme ist eine deutliche Zunahme der Barrierenhöhe mit zunehmenden Aluminiumgehalt bei gleichzeitig abnehmenden Galliumbzw. Indiumgehalt zu erkennen, während sie bei InGaN- basiertem Material mit zunehmenden Indiumgehalt bei gleichzeitig abnehmenden Galliumgehalt im ternären
System abnimmt. Mit den unterschiedlichen Barrieren- höhen sind auch die jeweiligen Einsatzspannungen unterschiedlich. Je höher die Barrierenhöhe ist, desto höher ist die Einsatzspannung der Diode. Betrachtet man beispielsweise eine AlGaN/GaN-Schottky-Diode mit 20 % Aluminium bzw. 40 % Aluminium im AlGaN-System, so ist die EinsatzSpannung der Schottky-Diode mit 40 % Aluminium um ca. 0.3 Volt höher als die Einsatzspannung der Schottky-Diode mit 20 % Aluminium.
Bei einer AlGaN/GaN-Heterostruktur nimmt auch die
Stromdichte in Flussrichtung der Diode mit zunehmender Aluminium-Konzentration zu. Wie gezeigt steigt jedoch gleichzeitig die Einsatzspannung. Heterostruk- tursysteme nach dem Stand der Technik erlauben es da- her nicht ohne weiteres, die Stromdichte zu erhöhen und die EinsatzSpannung dennoch niedrig zu halten. Im beschriebenen Materialsystem ist also einerseits ein hoher Aluminiumgehalt gewünscht, um eine möglichst hohe Stromdichte bzw. einen kleinen Serienwiderstand zu erzielen, andererseits bedingt ein solch hoher A- luminiumgehalt eine erhöhte EinsatzSpannung. Dieses Verhalten ist auch für andere Heterostruktursysteme feststellbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Heterostrukturelement anzugeben, welches gleichzeitig eine hohe Stromdichte ermöglicht, gleichzeitig aber eine niedrige Einsatzspannung aufweist .
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Heterostrukturelement nach Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Heterostrukturelementes an.
Erfindungsgemäß wird ein Heterostrukturelement bereitgestellt, welches zumindest eine erste und zumin- dest eine zweite Halbleiterschicht aufweist, die übereinander, besonders bevorzugt einander berührend, oder aufeinander angeordnet sind. Die erste Halbleiterschicht ist dabei mit ihrer Unterseite auf oder über einer Oberseite der zweiten Halbleiterschicht angeordnet. Die Halbleiterschichten können unmittelbar aufeinander, d.h. aneinander angrenzend angeordnet sein, es ist aber auch möglich, dass die Halbleiterschichten übereinander angeordnet sind mit eventu- eilen Zwischenschichten.
Bevorzugt werden die Halbleiterschichten so ausgewählt und angeordnet, dass sich zwischen ihnen zumindest eine leitfähige Grenzflächenschicht ausbildet.
Es ist außerdem bevorzugt, wenn die erste Halbleiterschicht die oberste Halbleiterschicht und die zweite Halbleiterschicht die unterste Halbleiterschicht des Heterostrukturelementes ist, insbesondere wenn zwi- sehen diesen weitere Halbleiterschichten angeordnet sind.
Das erfindungsgemäße Heterostrukturelement weist nun außerdem zumindest einen Metallkontakt auf, der zu- mindest zum Teil in einer Öffnung, die sich in der ersten Halbleiterschicht, und vorzugsweise auch in der zweiten Halbleiterschicht, durch die erste Halbleiterschicht hindurch und bis zu einer Tiefe größer oder gleich Null in die zweite Halbleiterschicht hin- ein erstreckt. Die genannte Öffnung durchstößt dabei also die erste Halbleiterschicht. Beim Vorliegen weiterer Schichten zwischen erster und zweiter Halbleiterschicht durchstößt vorzugsweise die Öffnung und der Kontakt alle diese Zwischenschichten. Die erste oder die zweite Halbleiterschicht können auch z.B.
Cap-Schichten sein. Der Metallkontakt kann erfin- dungsgemäß auch ein Gate oder ein Gate-Kontakt sein. Für den Fall, dass der Metallkontakt sich mit einer Tiefe von Null, also gar nicht, in die zweite Halbleiterschicht erstreckt, endet die Öffnung an der O- berseite der zweiten Halbleiterschicht bzw. an der
Unterseite der ersten Halbleiterschicht. Als Oberseite einer Halbleiterschicht werde eine Seite bezeichnet, die jener Seite der Heterostruktur zugewandt ist, in welcher sich die Öffnung öffnet. Als Unter- seite werde die jeweils der Oberseite gegenüber liegende Seite bezeichnet. Erstreckt sich die Öffnung mit einer Tiefe größer als Null in die zweite Halbleiterschicht hinein, so liegt die Öffnung in der zweiten Halbleiterschicht als Vertiefung vor, die in der zweiten Halbleiterschicht enden kann oder diese durchstoßen kann.
Endet die Öffnung in der zweiten Halbleiterschicht, so liegt in der zweiten Halbleiterschicht der Boden der Öffnung vor. Die Öffnung kann auch ein Graben o- der eine Vertiefung sein.
Es ist möglich, dass sich die Öffnung in einer Richtung über die gesamte Breite der 1. Halbleiter- schicht, der 2. Halbleiterschicht und/oder des Hete- rostrukturelementes erstreckt, so dass sie einen eingeschnittenen Graben bildet.
Sofern das Heterostrukturelement mehr als zwei HaIb- leiterschichten aufweist, ist es bevorzugt, wenn sich die Öffnung und/oder der Metallkontakt durch alle Grenzschichten bzw. Grenzflächen zwischen benachbarten aufeinander angeordneten Halbleiterschichten erstreckt bzw. diese durchstößt.
Bevorzugt erstreckt sich die Öffnung bie zu einer Tiefe T von größer oder gleich 10 nm, vorzugsweise größer oder gleich 20 nm, besonders bevorzugt größer oder gleich 40 nm und/oder kleiner oder gleich 100 nm, vorzugsweise kleiner oder gleich 70 nm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 50 nm in die unterste Halbleiterschicht .
Vorzugsweise erstreckt sich der Metallkontakt aus der Öffnung über die Oberseite der ersten Halbleiter- schicht hinaus, so dass ein Teil des Metallkontaktes außerhalb der Öffnung und oberhalb der Oberseite der ersten Halbleiterschicht, vorzugsweise auch auf der Oberseite der ersten Halbleiterschicht vorliegt.
Es ist bevorzugt, wenn eine Querschnittsfläche und/oder ein Durchmesser oder Umfang der Querschnittsfläche des Metallkontaktes in einem Schnitt parallel zur Oberseite der ersten Halbleiterschicht bzw. parallel zur ersten Halbleiterschicht oder zur zweiten Halbleiterschicht über der Oberseite der ersten Halbleiterschicht, also außerhalb der Öffnung, größer oder gleich der entsprechenden Querschnitts - fläche bzw. deren Durchmesser oder Umfang im Inneren der Öffnung ist oder größer oder gleich der entspre- chenden Querschnittsfläche, dem Durchmesser oder Umfang der Öffnung selbst ist. Es ist dabei bevorzugt, wenn die Querschnittsfläche oberhalb der Oberseite der ersten Halbleiterschicht, also außerhalb der Öffnung, gleich groß ist wie die Querschnittsfläche in der Öffnung bzw. der Öffnung selbst. Eine Gate- Kapazität des Heterostrukturelementes wird nämlich durch eine effektive Fläche bestimmt, welche der Metallkontakt effektiv auf der Oberseite der ersten Halbleiterschicht einnimmt. Die effektive Fläche ist hierbei in erster Näherung die Gesamtfläche des Metallkontaktes über der Oberseite der ersten Halblei- terschicht abzüglich der Fläche der darunter liegenden Öffnung. Die effektive Fläche des Metallkontak- tes, also der „Mesa-Struktur" , ist also in der erfindungsgemäßen Struktur kleiner als bei herkömmlichen Heterostrukturelementen.
Der Metallkontakt kann die Öffnung ganz oder teilweise auffüllen, so dass das Volumen der Öffnung entsprechend ganz oder teilweise von dem Metall des Me- tallkontaktes erfüllt ist. Es ist aber auch möglich, dass der Metallkontakt in der Öffnung als Schicht ausgebildet ist, die eine Innenwand der Öffnung und/oder den Boden der Öffnung ganz oder teilweise bedeckt. Der Metallkontakt ist dann also eine Be- Schichtung der Innenwandung der Öffnung und/oder deren Boden.
Besonders bevorzugt weist die erste Halbleiterschicht und/oder die zweite Halbleiterschicht Gruppe III- Nitrid-Halbleiter auf oder besteht aus solchen. Derartige Halbleiter können vorzugsweise für die erste Halbleiterschicht AlxGai-xN und/oder InxAli_xN aufweisen oder daraus bestehen, wobei x vorzugsweise ≥ 0,1, bevorzugt ≥ 0,2, besonders bevorzugt ≥ 0,3 und/oder ≤ 0,9, bevorzugt ≤ 0,7, besonders bevorzugt ≤ 0,6, besonders bevorzugt ≤ 0,4 ist. Die zweite Halbleiterschicht weist vorzugsweise GaN oder besteht daraus. Der zumindest eine Metallkontakt weist vorzugsweise Platin, Nickel und/oder Gold auf oder besteht daraus.
Das erfindungsgemäße Heterostrukturelement kann eine Schottky-Diode sein. Als solche weist das Heterostrukturelement zumindest einen Ohmkontakt auf, der auf der Oberseite der ersten Halbleiterschicht oder unter der Unterseite der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Heterostrukturelement kann auch ein Transistor sein.
In diesem Fall können auf der Oberseite der obersten Halbleiterschicht zumindest zwei Kontakte ausgebildet sein, wobei eines ein Source-Kontakt bzw. ein Kollektorkontakt ist und der andere ein Drain-Kontakt bzw. ein Emitterkontakt ist. Der Metallkontakt agiert dann als Gate- bzw. als Basiskontakt. Auch hier sollte vorzugsweise der Metallkontakt und die Öffnung alle Grenzflächen zwischen aneinander grenzenden Halbleitern durchstoßen. Der weitere Aufbau entspricht dem für die Schottky-Diode beschriebenen. Auch bei der Ausgestaltung als Transistor reduziert sich die Barrierenhöhe sowie die Kapazitäten.
Die Öffnung kann verschieden geformte Querschnitte parallel zur Oberfläche der ersten Halbleiterschicht, bzw. senkrecht zu ihrer Richtung, haben. Bevorzugt hat sie einen rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitt. Der Metallkontakt hat dann in der Öffnung vorzugsweise die gleiche Querschnittsform. Außerhalb der Öffnung auf der Oberseite der ersten Halbleiter- schicht kann der Metallkontakt die gleiche Form haben wie der Querschnitt der Öffnung, er kann jedoch auch eine unterschiedliche Form haben.
Die erfindungsgemäße Heterostruktur ermöglicht hohe Stromdichten bei gleichzeitig niedriger Einsatzspannung. Insbesondere können vorteilhaft Gruppe III- Nitrid-basierte Schottky-Dioden und Transistoren mit diesen vorteilhaften Eigenschaften realisiert werden.
Die erfindungsgemäße Struktur kann bei allen Arten Material- & und Schichtkombinationen, insbesondere von Gruppe III-Nitriden, angewandt werden. Die Barrierenhöhe ist bei Anwendung der erfindungsgeraäßen „Mesa-Gate-Technologie" nahezu unabhängig von der Materialkomposition und beträgt näherungsweise 0.8 V, wie dies in Fig. 7 zu erkennen ist. Für eine
AlGaN/GaN-Heterodiode bedeutet dies beispielsweise, dass, obwohl der Aluminiumgehalt für Dioden mit erhöhter Stromdichte zunimmt, die Barrierenhöhe und somit die Einsatzspannung gleich bleibt. Es stellt sich somit eine konstante EinsatzSpannung für Dioden beliebiger Stromdichte ein.
Gruppe III-Nitrid-basierende Dioden mit erfindungsgemäßer Struktur können in allen elektronischen Kompo- nenten Einsatz finden.
Speziell zur Realisierung energieeffizienter Systeme zeigen die Gruppe III-Nitrid basierenden Schottky- Dioden mit der erfindungsgemäßen Mesa-Gate-Struktur aufgrund der geringen Verlustleistung deutliche Vorteile. Dabei können diese Dioden in hochfrequenten Schaltnetzteilen, in effizienten Wechselrichtern in der hybriden Antriebstechnik oder Solartechnik eingesetzt werden.
Es ist möglich, erfindnugsgemäße Heterostrukturele- mente als Dioden und/oder Transistoren als Arrays einer Vielzahl solcher Elemente zusammenzufassen. Hierbei können Verschaltungstechniken zur Anwendung kom- men, wie sie in WO 2008/155085 und/oder in WO 2008/155083 beschrieben sind.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Gleiche Bezugszei- chen entsprechen dabei gleichen oder entsprechenden
Elementen. Die gezeigten Merkmale der Beispiele kön- nen einzeln auch außerhalb des konkreten Beispiels realisiert sein oder beliebig untereinander kombiniert werden.
Es zeigt
Figur 1 die Barrierenhöhe einer AlGaN-Diode und einer InAlN-Diode in Abhängigkeit vom Aluminiumgehalt ,
Figur 2 Strom-Spannungskennlinien von Schottky-
Dioden mit einem Aluminiumgehalt von 20 % und mit einem Aluminiumgehalt von 40 %, Figur 3 Strukturen von herkömmlichen Schottky- Dioden,
Figur 4 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Hete- rostrukturelementes, welches hier eine Schottky-Diode ist,
Figur 5 ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Heterostrukturelementes, welches wiederum eine Schottky-Diode ist,
Figur 6 ein erfindungsgemäßes Heterostrukturelement mit mehr als zwei Halbleiterschichten,
Figur 7 ein weiteres erfindungsgemäßes Heterostrukturelement mit mehr als zwei Halbleiter- schichten,
Figur 8 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Heterostrukturelementes, welches ein Transistor ist,
Figur 9 die Strom-Spannungskennlinie einer Schott- ky-Diode mit erfindungsgemäßer Heterostruktur im Vergleich zu einer herkömmlichen Schottky-Diode, und
Figur 10 die Barrierenhöhe in Abhängigkeit von der
Zusammensetzung einer herkömmlichen Schottky-Diode im Vergleich zu einer Schottky- Diode mit erfindungsgemäßer Heterostruktur.
Figur 2 zeigt die Stromspannungskennlinien herkömmlicher AlGaN/GaN-Schottky-Dioden, wobei die Schottky- Diode, in welcher die AlGaN-Schicht einen Aluminiumgehalt von 20 % hat, mit Dreiecken dargestellt ist und die Schottky-Diode, in welcher die entsprechende Schicht einen Aluminiumgehalt von 40 % hat, mit Quadraten. Die Problematik der herkömmlichen Heterostruktur ist hier deutlich zu erkennen. Ein geringer Aluminiumgehalt (hier 20 %) zeigt zwar einerseits eine erwünschte geringe Einsatzspannung (im gezeigten Bei- spiel ca. 1 Volt), führt aber gleichzeitig zu einem hohen Serienwiderstand, welcher hier der inversen Steigung der Kurve entspricht . Ein Aluminiumgehalt von 40 % zeigt zwar einen deutlich geringeren Serienwiderstand, dafür ist die EinsatzSpannung erhöht und liegt im gezeigten Beispiel bei ca. 1,4 Volt.
Figur 3 zeigt drei Beispiele von Bauformen herkömmlicher Heterostrukturen, welche hier Schottky-Dioden mit Metallkontakten 1 darstellen. Es zeigt hierbei Teilfigur A eine vertikale Bauweise, Teilfigur B eine horizontale Bauweise und Teilfigur C eine Mischform aus vertikaler und horizontaler Bauform. Die Dioden weisen eine AlGaN-Schicht 2 auf, welche auf einer GaN-Schicht 3, diese berührend, angeordnet ist. Der Metallkontakt 1 ist stets auf der AlGaN-Schicht 2 angeordnet und nur mit dieser Schicht in Kontakt . Die Unterseite des Metallkontaktes 1 berührt vollständig die AlGaN-Schicht 2. Die in den Teilfiguren A, B und C gezeigten Bauformen unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Anordnung eines Ohm-Kontaktes 4, wel- eher in der vertikalen Bauweise der Figur A auf jener der AlGaN-Schicht abgewandten Unterseite der GaN- Schicht angeordnet ist. In der horizontalen Bauweise, wie sie in Teilfigur B gezeigt ist, ist der Ohm- Kontakt auf der AlGaN-Schicht angeordnet, und zwar auf deren Oberseite, auf welcher auch der Metallkontakt 1 angeordnet ist. In der Mischform, wie sie in Figur C gezeigt ist, ist der Ohm-Kontakt 4 auf der GaN-Schicht angeordnet, und zwar auf jener Seite, auf welcher sich auch die AlGaN-Schicht 2 befindet. Der Ohm-Kontakt 4 ist hierbei jedoch nicht mit der AlGaN- Schicht 2 in Kontakt, sondern auf einem Teil der Oberseite der GaN-Schicht 3 angeordnet, auf welcher die AlGaN-Schicht 2 nicht angeordnet ist.
Figur 4 zeigt ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Heterostrukturelementes , welches hier als eine Schottky-Diode ausgebildet ist. Es ist hier eine AlGaN-Schicht 2 mit ihrer Unterseite auf einer Oberseite einer GaN-Schicht 3 angeordnet. Die beiden Schich- ten 2 und 3 berühren sich im gezeigten Beispiel, es sind jedoch auch Zwischenschichten möglich. Auf einer Oberseite der AlGaN-Schicht 2 ist ein Ohm-Kontakt 4 angeordnet. Die erfindungsgemäße Heterostruktur weist nun eine Öffnung 5 auf, welche sich von der Oberseite der AlGaN-Schicht 2 durch die AlGaN-Schicht 2 hindurch bis zu einer Tiefe T in die GaN-Schicht 3 hinein erstreckt. Die Tiefe T ist im gezeigten Beispiel größer als Null, sie kann jedoch auch gleich Null sein, so dass die Öffnung 5 nur bis zur Oberfläche der GaN-Schicht 3 reicht. Im gezeigten Beispiel ist nun die Öffnung 5 mit einem Metallkontakt 1 gefüllt. Der Metallkontakt 1 erstreckt sich also von der Oberseite der AlGaN-Schicht 2 durch die AlGaN-Schicht 2 hindurch bis in die GaN-Schicht 3. Der Metallkontakt 1 liegt auch außerhalb der Öffnung 5 oberhalb der Oberseite der AlGaN-Schicht 2 vor und ist zum Teil auf der Oberfläche der AlGaN-Schicht 2 angeordnet. Eine Querschnittsfläche Al des Metallkontaktes 1 ist daher oberhalb der Oberseite der AlGaN-Schicht 2 größer als die entsprechende Querschnittsfläche A2 in- nerhalb der Öffnung 5. Der Querschnitt der Öffnung parallel zur Oberfläche der AlGaN-Schicht kann beispielsweise kreisförmig oder rechteckig sein.
Figur 5 zeigt ein weiteres Beispiel eines erfindungs- geraäßen Heterostrukturelementes, welches wiederum als Schottky-Diode ausgebildet ist. Es ist eine AlGaN- Schicht 2 und eine GaN-Schicht 3 wie in Figur 4 gezeigt angeordnet. Auf einer Oberseite der AlGaN- Schicht 2 ist wiederum ein Ohm-Kontakt 4 angeordnet. Eine Öffnung 5, ein Graben 5 oder ein Vertiefung 5 ist wie in Figur 4 gezeigt in die AlGaN-Schicht 2 und die GaN-Schicht 3 eingebracht. Ein Metallkontakt 1 ist in der Öffnung 5 untergebracht, füllt diese jedoch hier nicht vollständig, sondern nur teilweise aus. Dabei bildet das Metall des Metallkontaktes 1 eine Schicht auf einer Innenwand der Öffnung 5 und deren Boden. Im Inneren ist die Öffnung 5 leer. Wie auch in Figur 4 liegt der Metallkontakt 1 auch außerhalb der Öffnung auf der Oberseite der AlGaN-Schicht 2 vor, so dass die äußeren Abmessungen des Kontaktes 1 über der Oberfläche der AlGaN-Schicht 2 größer sind als in der Öffnung 5. Die Flächen Al und A2 können in den Figur 4 und 5 gezeigten Beispielen beliebige Formen annehmen. In der Regel sind es Rechtecke oder Kreise. Die Fläche A2 des Grabens, der Öffnung bzw. der Vertiefung, kann der Form der darüber liegenden Metallstruktur Al entsprechen, kann aber auch eine von dieser Form abweichende Form annehmen.
Figur 6 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Heterostrukturelementes, welches wiederum als Schott- ky-Diode ausgebildet ist. Hierbei ist auf einem Puffer 8 zunächst wie in den vorhergehenden Beispielen eine GaN-Schicht 3 aufgebracht. Auf dieser GaN- Schicht 3 ist dann eine Zwischenschicht 7 angeordnet, die hier sehr dünn ist (beispielsweise mit einer Dicke von 1 bis 5 nm) und ebenfalls ein Halbleitermaterial (wie zB . AlN) aufweisen kann oder hieraus bestehen kann. Auf der Zwischenschicht 7 ist dann eine Al- GaN-Schicht 2 angeordnet, auf welcher wiederum eine Cap-Schicht 6 aufgebracht ist, die z.B. AlN oder GaN aufweisen kann oder daraus bestehen kann. Eine Öffnung 5 sowie ein darin angeordneter Metallkontakt 1, der die Öffnung z.T. ausfüllt und wie im in Figur 5 gezeigten Beispiel als Schicht auf einer Wandung und einem Boden der Öffnung 5 angeordnet ist, erstreckt sich von einer Oberseite der Cap-Halbleiterschicht 6 durch diese Halbleiterschicht 6 hindurch sowie durch die AlGaN-Schicht 2 hindurch, durch die Zwischenschicht 7 hindurch bis zu einer Tiefe T in die GaN-Schicht 3 hinein. Die Öffnung 5 und der Metallkontakt 1 sind so tief und erstrecken sich so durch die Halbleiterschichten, dass sie alle Grenzflächen zwischen jeweils zwei aneinander grenzenden Halbleiterschichten durchstoßen. Wie auch in den vorhergehenden Beispielen ist eine Fläche, eine Kantenlänge oder ein Durchmesser Al des Metallkontaktes 1 außerhalb der Öffnung auf der Oberseite der Schicht 6 größer als die entsprechende Abmessung A2 im Inneren der Öffnung. Die genannte Abmessung A2 wird hier wie auch in den anderen Beispielen im Inneren der Öffnung oberhalb des Bodens gemessen. Auf der Oberseite der Cap-Schicht 6 ist, wie für eine Schottky-Diode üblich, ein Ohm- Kontakt 4 ausgebildet.
Figur 7 zeigt ein weiteres Beispiel einer Schottky- Diode als erfindungsgemäßes Heterostrukturelement, die entsprechend der in Figur 6 gezeigten Schottky- Diode aufgebaut ist, so dass die bezüglich Figur 6 gemachten Ausführungen auch für die in Figur 7 ge- zeigte Schottky-Diode gelten. Im Unterschied zur in Figur 6 gezeigten Schottky-Diode ist jedoch die auf der Puffer-Schicht 8 angeordnete Schicht 3 in drei Halbleiterschichten 3a, 3b, 3c unterteilt, die als einzelne Halbleiterschichten im Sinne der Anmeldung verstanden werden können. Im gezeigten Beispiel ist die zu unterst liegende Schicht 3a eine GaN-Schicht, auf welcher eine AlGaN-Schicht 3b angeordnet ist, auf der wiederum eine weitere GaN-Schicht 3c angeordnet ist. Auch hier erstreckt sich die Öffnung 5 und der Metallkontakt 1 durch alle Grenzflächen zwischen benachbarten Halbleitern, so dass alle Grenzschichten von der Öffnung und dem Metallkontakt durchstoßen werden. Der Boden der Öffnung 5 liegt also auf oder in der untersten Halbleiterschicht vor, welche norma- lerweise auf dem Puffer 8 angeordnet ist.
Figur 8 zeigt ein erfindungsgemäßes Heterostrukturelement, welches als Transistor ausgebildet ist. Der Aufbau des in Figur 8 gezeigten Transistors ent- spricht im Wesentlichen jenem der in Figur 5 gezeigten Schottky-Diode. Auch hier ist eine AlGaN-Schicht 2 auf einer GaN-Schicht 3, diese berührend angeordnet, so dass sich zwischen den Schichten 2 und 3 eine leitfähige Grenzflächenschicht ausbildet. Eine Öff- nung 5 mit einem darin angeordneten Metallkontakt 1 durchstößt die AlGaN-Schicht 2 und dringt bis zu ei- ner Tiefe T in die GaN-Schicht 3. Eine Kantenlänge, ein Durchmesser und/oder eine Fläche des Metallkontaktes 1 außerhalb der Öffnung auf einer Oberseite der AlGaN-Schicht 2 ist größer oder gleich der ent- sprechenden Abmessung A2 im Inneren der Öffnung 5 o- berhalb des Bodens der Öffnung 5. Es ist hier nicht gezeigt, jedoch möglich, dass auch das als Transistor ausgebildete Heterostrukturelement weitere Halbleiterschichten, wie beispielsweise in Figuren 6 und 7 für eine Schottky-Diode gezeigt, aufweist. Der Transistor weist auf der Oberseite der AlGaN-Schicht 2 zwei Kontakte 9 und 10 auf, die als Source- bzw. Drain-Kontakt oder Kollektor- bzw. Emitter-Kontakt fungieren. Die anderen Merkmale entsprechen jenen für die Schottky-Dioden in den vorangegangenen Beispielen der Erfindung beschriebenen.
Figur 9 zeigt die Stromspannungskennlinie einer Schottky-Diode mit erfindungsgemäßer Heterostruktur (Quadrate) und einer herkömmlichen Schottky-Diode (Kreise) . Der beispielhafte Vergleich dieser AlGaN/GaN-Hetero-Schottky-Dioden mit erfindungsgemäßer Struktur einerseits und konventioneller Technologie andererseits zeigt, dass sich bei gleicher Mate- rialkonfiguration eine Verschiebung der Einsatzspannung um ca. 0.3 Volt ergibt, wie in Figur 6 gezeigt. Dadurch kann derselbe Strom bei kleinerer Spannung betrieben werden. Somit reduziert, sich die Verlustleistung der Schottky-Dioden mit erfindungsgemäßer Struktur im Vergleich zu der konventionellen Technologie.
Figur 10 zeigt die Barrierenhöhe einer erfindungsgemäßen Heterostruktur (Quadrate) und einer herkömmli- chen Heterostruktur (Kreise) in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Heterostruktur. Die Unabhängig- keit der Barrierenhöhen, von der Materialkomposition bei einer Schottky-Diode mit erfindungsgemäßer Heterostruktur ist deutlich zu erkennen. Die Barrierenhöhe liegt unabhängig von der Zusammensetzung der Al- GaN-Schicht bei ca. 0,8 Volt. Im Gegensatz dazu steigt die Barrierenhöhe für die herkömmliche Schottky-Diode mit zunehmenden Aluminiumgehalt in der Al- GaN-Schicht an.
Die erfindungsgemäße Heterostruktur ermöglicht eine deutliche Reduzierung der Gate-Kapazität in Bauelementen, die ein Gate aufweisen.
Bei einer AlGaN/GaN-Schottky-Diode wird die Gatekapa- zität beispielsweise bestimmt durch die Fläche, die der Metallkontakt auf der AlGaN-Oberflache oder pla- nar in einem Graben, dem sog. Gate-Recess einnimmt, in dem der vollständige Kontakt vorliegt.
Die Gatekapazität der erfindungsgemäßen Mesa-Gate
Struktur wird hingegen bestimmt durch die Fläche, die der Metallkontakt effektiv auf der z.B. AlGaN-Schicht einer AlGaN/GaN-Schottky-Diode einnimmt. Als effektive Gatefläche kann in erster Näherung die Gesamtflä- che Al oberhalb der Oberseite der oberen Halbleiterschicht abzüglich der geätzten Fläche A2 in der Öffnung 5 in den Figuren 4 und 5 betrachtet werden. Somit ist die effektive Gatefläche einer erfindungsgemäßen Struktur (Mesa-Gate-Struktur) einer z.B. Al- GaN/GaN-Heterodiode kleiner als die einer entsprechenden Diode ohne eine solche Struktur.
Gleichzeitig reduziert die effektive verkleinerte Gatefläche der Mesa-Gate-Struktur nicht die Stromdichte der Diode. Die Stromdichte der Diode wird aus geometrischer Sicht in erster Linie durch den Umfang des Metallkontakts bestimmt. Daher ist die Stromdichte einer erfindungsgemäßen Mesa-Gate-Schottky-Diode und einer Schottky-Diode ohne erfindungsgemäße Mesa-Gate- Struktur aus geometrischer Sicht identisch, da hier nur der Umfang der Fläche Al des Metallkontaktes über der Oberseite der ersten Halbleiterschicht entscheidend ist.
Die Reduzierung der effektiven Gatefläche der erfin- dungsgemäßen Mesa-Gate-Struktur und die damit verbundene Verringerung der Gatekapazität (von ca. 2,3 auf ca. 1,2 bei einer Gate-Spannung von 0 Volt) ermöglicht schnelle Umlade- und Schaltzeiten der Dioden.
Es konnte durch die erfindungsgemäße Heterostruktur außerdem eine Verbesserung der Homogenitätseigenschaften nachgewiesen werden, was im Folgenden am Beispiel einer GaN-basierten Schottky-Diode mit erfindungsgemäßer Heterostruktur kurz dargestellt wer- den soll.
Die Homogenität von Diodeneigenschaften ist sowohl vom Grundmaterial, insbesondere dem Halbleiterwafer , als auch von der Prozesstechnologie abhängig. Die Ho- mogenität der Halbleiterwafer kann herstellungsbedingt über dem Wafer als auch von Wafer zu Wafer schwanken und unterschiedlich sein. Insbesondere variiert z.B. bei GaN-basierenden Heterodioden, wie AlGaN/GaN, die AlGaN-Schicht in Dicke und Aluminium- gehalt. Dadurch ergeben sich Schwankungen in den Diodeneigenschaften.
Der erfindungsgemäße Ansatz reduziert den Einfluss der Materialschwankungen, wie z.B. Aluminiumgehalt und AlGaN-Dicke, da erfindungsgemäß am Ort des Gate- Kontakts ein Graben, eine Öffnung oder eine Vertie- fung geätzt wird, die am Beispiel einer AlGaN/GaN- Heterodiode durch die AlGaN-Schicht bis zu einer Tiefe T in die GaN-Schicht hinein reicht. Durch das partielle Entfernen z.B. der AlGaN-Schicht am Ort des Gate-Kontakts sind homogenere Diodeneigenschaften möglich als mit der konventionellen Technologie.

Claims

Patentansprüche
1. Heterostrukturelement mit zumindest einer ersten Halbleiterschicht, zumindest einer zweiten Halbleiterschicht, sowie zumindest einem Metallkontakt, wobei die erste Halbleiterschicht über der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist, und sich der Metallkontakt in einer Öffnung von einer der zweiten Halbleiterschicht gegenüber liegenden Oberseite der ersten Halbleiterschicht durch die erste Halbleiterschicht hindurch und bis zu einer Tiefe größer oder gleich Null in die zweite Halbleiterschicht hinein erstreckt.
2. Heterostrukturelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Heterostrukturelement so ausgebildet ist, dass sich zwischen zumindest zwei aneinander grenzenden Halbleiterschichten eine leitfähige Grenzflächenschicht ausbildet und wobei der zumindest eine Metallkontakt und/oder die Öffnung alle der zumindest einen leitfähigen Grenz- flächenschichten durchstößt.
3. Heterostrukturelement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Metallkon- takt aus der Öffnung heraus über der Oberseite der ersten Halbleiterschicht erstreckt und dass eine Querschnittsfläche des Metallkontaktes in einem Schnitt parallel zur ersten Halbleiterschicht über der Oberseite der ersten Halblei- terschicht größer oder gleich der entsprechenden Querschnittsfläche innerhalb der Öffnung ist.
4. Heterostrukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkontakt die Öffnung ganz oder teilweise auffüllt.
5. Heterostrukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkontakt in der Öffnung als Schicht ausgebildet ist, die eine Innenwand der Öffnung und/oder einen Boden der Öffnung ganz oder teilweise bedeckt.
6. Heterostrukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung einen rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitt parallel zur Oberfläche der ersten Halbleiterschicht hat .
7. Heterostrukturelement nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halbleiterschicht und/oder die zweite Halbleiterschicht Gruppe III-Nitrid-Halbleiter aufweisen oder daraus bestehen.
8. Heterostrukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halbleiterschicht AlxGai-xN und/oder InxAl1-XN mit x ≥ 0,1, bevorzugt ≥ 0,2, besonders bevorzugt ≥ 0,3 und/oder ≤ 0,9, bevorzugt ≤ 0,7, besonders bevorzugt < 0,6, besonders bevorzugt < 0,4 aufweist oder daraus besteht und/oder dass die zweite Halbleiterschicht GaN aufweist oder daraus besteht.
9. Heterostrukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkontakt
Platin, Nickel und/oder Gold aufweist oder daraus besteht.
10. Heterostrukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heterostrukturelement eine Schottky-Diode ist, die einen Ohm- Kontakt aufweist, welcher auf der Oberseite der ersten Halbleiterschicht oder unter einer der ersten Halbleiterschicht abgewandten Unterseite der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist.
11. Heterostrukturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Heterostrukturelement ein Transistor ist, wobei auf der Ober- seite der ersten Halbleiterschicht zumindest ein
Source- oder Kollektorkontakt und zumindest ein Drain- oder Emitter-Kontakt angeordnet ist.
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